熱結(jié)構(gòu)不確定性動力學(xué)仿真及模型確認(rèn)方法研究.pdf

1、在科學(xué)研究中，計算仿真已經(jīng)成為繼理論分析和試驗技術(shù)之后的第三支柱，雖然計算仿真已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個工程領(lǐng)域，但是計算仿真的研究和應(yīng)用僅僅是一個開始。隨著復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)設(shè)計對仿真模型精度的要求不斷提高，就必須考慮實際存在的各種不確定性，這時仿真模型的真實精度和置信度評估就成為一項重要的研究課題。
　　模型確認(rèn)就是從模型用途角度確定一個模型在多大程度上能夠精確描述真實物理世界的過程，它不僅僅是一個評定仿真模型準(zhǔn)確度的過程，而且是一個通過確

2、認(rèn)結(jié)果提高預(yù)測精度的過程。本文以高超聲速飛行器典型熱結(jié)構(gòu)的仿真計算以及相關(guān)動力學(xué)分析為基本問題，以模型確認(rèn)方法為主要研究內(nèi)容，研究了以下幾個方面:
　　(1)將材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)表達(dá)為溫度的多項式函數(shù)，采用遺傳算法來識別多項式的系數(shù)，從而得到更精確的溫度分布，為熱結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導(dǎo)。同時以美國圣地亞國家實驗室提出的熱傳導(dǎo)模型確認(rèn)挑戰(zhàn)問題為研究對象，闡述了模型確認(rèn)的貝葉斯框架，介紹了貝葉斯及不確定性量化的基本理論，強(qiáng)調(diào)了模型修正在模型確

3、認(rèn)中的作用，比較了各種模型修正方法的優(yōu)缺點，將貝葉斯模型修正用于熱傳導(dǎo)問題的模型確認(rèn)中，得到了比初始模型更準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果，研究表明貝葉斯模型修正方法用于模型確認(rèn)能顯著提高預(yù)測精度。
　　(2)針對結(jié)構(gòu)動力學(xué)中的非對稱阻尼結(jié)構(gòu)，分別采用基于靈敏度分析和遺傳算法的修正方法，同時對與剛度矩陣，阻尼矩陣和質(zhì)量矩陣等相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行識別。提出了使用有效模態(tài)質(zhì)量進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力學(xué)有限元模型修正的新方法。仿真算例比較了基于有效模態(tài)質(zhì)量靈敏度分

4、析和遺傳算法的修正結(jié)果，研究表明所提出的方法可以用于結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型修正中并能夠補(bǔ)充頻率信息不足的缺陷。
　　(3)針對小樣本模型確認(rèn)問題，將核密度估計和核主元分析相結(jié)合，用于美國圣地亞國家實驗室提出的結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型確認(rèn)挑戰(zhàn)問題的研究中;將置信水平理論和核密度估計相結(jié)合，提出了核密度估計中最佳樣本方差選擇的改進(jìn)方法，并應(yīng)用于美國圣地亞國家實驗室提出的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)桁架模型確認(rèn)挑戰(zhàn)問題的研究。研究結(jié)果表明，將核主元分析、置信水平理等理論結(jié)

5、合核密度估計方法處理小樣本模型確認(rèn)問題是非常有效的。
　　(4)針對熱彈耦合梁固有頻率的不確定性量化和傳遞問題，基于歐拉梁的振動方程和傅里葉熱傳導(dǎo)定律推導(dǎo)了梁的耦合振動方程;采用概率邊界方法同時量化隨機(jī)和認(rèn)知混合不確定性，并采用雙層蒙特卡羅抽樣技術(shù)求解不確定性的傳遞;研究了材料參數(shù)不確定性對耦合固有頻率的影響，研究表明梁的耦合固有頻率均值和標(biāo)準(zhǔn)差都為區(qū)間參數(shù)，并且隨著輸入?yún)?shù)不確定性的增大而增大。
　　(5)針對模型形式不確

6、定性量化問題，將最大熵方法用于確定調(diào)整參數(shù)方法中區(qū)間形式模型概率的最優(yōu)值;將調(diào)整參數(shù)處理為區(qū)間不確定性，提出了模型形式不確定性量化的區(qū)間-混合調(diào)整參數(shù)法。通過單自由度非線性振動系統(tǒng)的頻率預(yù)測以及二元機(jī)翼顫振臨界速度的預(yù)測實例對區(qū)間-混合調(diào)整參數(shù)方法進(jìn)行了驗證。研究表明區(qū)間-混合調(diào)整參數(shù)法能夠處理模型形式不確定性以及參數(shù)的隨機(jī)和認(rèn)知不確定性共存時的預(yù)測問題。
　　(6)針對C/C復(fù)合材料壁板結(jié)構(gòu)，通過瞬態(tài)熱傳導(dǎo)分析得到了各個時刻壁板